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科学出版社|宋永华研究团队：新能源电力系统的随机过程分析与控制


高比例的新能源电源接入给电网安全优化运行带来了严峻的挑战 。 如何在必须实现实时动态平衡的电力系统运行中精确考虑新能源功率出力的随机性与波动性的影响 ， 提升电力系统的调频、调峰和自动发电控制等环节的能力 ， 已成为学术界与工业界共同关注的焦点问题 。 该问题的核心难点在于新能源电力系统是一个异常复杂的随机动力学对象 ， 经典的控制理论与概率理论难以在统一的框架下对这一复杂对象进行精确有效的建模、分析与优化控制 。
为了解决这一兼具广泛工程应用与理论探索价值的问题 ， 宋永华、林今、刘锋所带领的联合研究团队历经十余年的时间 ， 在自由理论探索的基础上 ， 结合工程实践经验 ， 引入随机过程这一新的理论工具 ， 试图为新能源电力系统探寻一条统一描述的随机动力学技术路线 。 对此 ， 研究团队提出了一系列新的建模、分析与控制方法 ， 初步建立了基于频域与时域随机过程描述的新能源电力系统随机过程分析与控制基础理论 ， 并开展了部分实践应用研究 。
本书理论分为电力系统随机过程的频域与时域方法两个部分 。
上篇是频域随机过程方法 ， 其灵感来源是将描述风电机组机械载荷与风电场波动性的功率谱密度方法 ， 应用于电力系统频率动态过程的研究之中 。 功率谱密度方法的引入是本书随机过程理论体系的思想萌芽 。 由于该方法来源于机械、空气动力学等交叉学科 ， 难以直接解决许多电力系统的实际工程技术问题(如频域模型难以精准反映时域指标等) 。 为此 ， 宋永华研究团队 ， 结合国内外的工程实测数据 ， 基于“维纳-辛钦”定理 ， 提出了一系列基于平稳随机过程的“时频”变换方法 ， 逐步建立了一套理论自洽的新能源电力系统平稳随机过程分析与控制的方法 。 频域方法的成果 ， 已逐步应用于多项工程实践中 ， 包括与原中国电力投资集团公司在内蒙古通辽研发的风电弧网电解铝的控制系统、河北保定涞源“风光钢”工业微电网的控制系统以及北京电力公司在亦庄构建的主动配电网态势感知系统等一系列国家重点工程 。 这也是本书上篇频域部分的主体内容 。
下篇是时域随机过程方法 。 频域方法在在线应用 ， 特别是参与系统控制器设计方面的一些内在缺陷 。 这些缺陷包括但不限于难以考虑初值、难以考虑非线性环节以及难以设计反馈控制律等多个方面 。 为此 ， 研究团队引入了基于维纳过程建立的伊藤过程理论 ， 从时域的角度出发有望用于新能源电力系统的统一建模与分析 ， 发现了由 Feynman-Kac 定理描述的偏微分方程组或许是破解时域随机过程控制问题的关键 。 在与英国帝国理工大学、华威大学的联合研究中 ， 提出了可通过偏微分方程的优化将原始的随机控制问题转换为确定性优化控制问题的思路 ， 其难点是破除求解F-K方程中的组合爆炸问题 。 为此 ， 研究团队协力完成了随机评估函数的收敛级数逼近定理与方法 ， 给出了基于全纯函数与 Cauchy-Kovalevskaya 定理两种严格的理论证明 。 该定理的发现为整个基于伊藤过程时域描述的新能源电力系统随机过程分析与控制理论奠定了理论基础 。 这也是本书下篇时域部分的主体内容 。
本书是研究团队十年磨一剑的产物 ， 从 2009 年至今 ， 经历了理论和实践的螺旋式迭代上升 ， 经历了交叉学科的灵感冲击与碰撞 ， 验证了坚守信念、交叉合作和等待幸运在基础理论研究与发现过程的决定性作用 。 理论的原创来之不易 ， 但原创的理论具有蓬勃的生命力 。 宋永华带领的研究团队正在结合伊藤过程的理论与正交多项式混沌理论 ， 将理论拓展至新能源电力系统的暂态和动态研究中 ， 并正在进一步将理论应用于氢能与新能源电网的交叉领域研究之中 。
本书的基础性研究工作得到了国家自然科学基金(51577096、51207077、51761135015)的支持与帮助 ， 国家自然基金的资助是青年学者开展理论拓荒工作的重要支持 。 本书的出版还得到国家重点研发计划(2018YFB0905200)的支持 。 在此一并表示衷心的感谢！
本文摘编自《新能源电力系统随机过程分析与控制》（林今等著. 北京：科学出版社 ， 2020.7）一书“前言”“第一章 绪论” ， 有删减 ， 标题为编者所加 。
科学出版社|宋永华研究团队：新能源电力系统的随机过程分析与控制
本文插图
(智能电网研究与应用丛书)
ISBN 978-7-03-065531-8
责任编辑：范运年 王楠楠
面向高比例新能源电力系统的运行分析与控制 ， 本书引入一类基于随机过程构建的建模、分析与控制理论 ， 分为频域与时域两个部分介绍 。 在频域部分 ， 提出了基于平稳随机过程与功率谱密度描述的“时频”变化方法 ， 结合Wiener-Khinchine 定理 ， 将频域随机过程理论从机械与空气动力学领域 ， 拓展应用于大型风电场的建模、电力系统频率偏差与AGC 问题的分析之中；在时域部分 ， 提出了基于伊藤过程的新能源功率随机性建模方法 ， 结合Feynman-Kac 定理 ， 在该模型基础上提出了收敛级数逼近与矩优化方法 ， 避免了偏微分方程数值求解过程中的组合爆炸问题 ， 可以应用于大型新能源电力系统的AGC、配电网与输电网调峰等一系列典型的分析与控制问题求解之中 。
【科学出版社|宋永华研究团队：新能源电力系统的随机过程分析与控制】本书可为从事新能源电力系统运行与控制的研究人员和工程师提供理论及实践参考 。
（本文编辑：刘四旦）
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